CARGA Y EXPLOSIN
CARGA Y EXPLOSIN
5.4.3 EXPLOSIVOS Y ACCESORIOS USADOS EN EXCAVACIONES A CIELO
ABIERTO
LA EXPLOSIN Y SUS EFECTOS EN UN BARRENO. Los explosivos son
compuestos qumicos o mezclas los cuales en una reaccin inicial
forman grandes volmenes de gases a alta temperatura y presin. Esta
reaccin es normalmente iniciada por un arreglo mecnico externo o un
efecto creador de calor, usualmente detonadores (estopines y
fulminantes)
La explosin en un barreno perforado puede ser explicado como
sigue:
El explosivo forma una masa ardiente bajo grandes presiones. La
temperatura puede aumentar a 4500C y la presin puede exceder a
250000 bar. La explosin avanza como una onda frontal de impacto a
una gran velocidad. La gran presin comprime el explosivo y el
aumento de temperatura inicia una reaccin qumica. La longitud de la
zona de reaccin varia de acuerdo a el explosivo en cuestin de unos
pocos milmetros a unos pocos centmetros. La velocidad de detonacin
(velocidad de explosin) varia entre 1500 m/s y 8500 m/s.
Cuando el explosivo est cargado (empaquetado) en un barreno
perforado en una roca la onda de choque pasa a travs de la roca. La
roca primero se comprime y despus se generan fuerzas de tensin.
Esas fuerzas de tensin causan grietas primarias muy pequeas, y su
forma es usualmente radial, extendindose desde el centro del
barreno. Bajo la influencia de la presin de los gases formados por
el explosivo, esas grietas se expanden, la superficie libre de la
roca se mueve hacia el frente, la presin disminuye y la tensin se
incrementa en las grietas primarias, las cuales se expanden hacia
la superficie, y un debilitamiento completo de la roca tiene lugar.
El frente es consecuentemente roto y girado.
Propiedades requeridas de explosivos.
Las propiedades requeridas de explosivos usados en aplicaciones
tcnicas son:
Eficiencia
Manejo seguro
Gran estabilidad
Fcil detonacin y buena explosibidad
Buenas caractersticas de emanaciones de gases.
Toxicidad
La eficiencia y estabilidad: determinarn la aplicacin de un
explosivo, las otras caractersticas son ms o menos comunes a todos
los explosivos.
Cuando se compara la eficiencia de diferentes explosivos las
siguientes caractersticas tcnicas son de importancia:
Velocidad de detonacin (velocidad de la explosin)
Propagacin de la explosin
Volumen especfico de gas
Calor de la explosin
Potencia por unidad de peso
Potencia por unidad de volumen
Densidad de carga (densidad del explosivo).
La velocidad de detonacin: es la velocidad (m/s) a la cual la
onda frontal de detonacin avanza a travs de una columna de
explosivos. La velocidad de detonacin juega una parte importante
cuando la explosin es hecha en diferentes tipos de roca. Cuando se
est seleccionado el explosivo que ser utilizado, el factor a ser
considerado es la impedancia del explosivo, el cul es el producto
de la velocidad de detonacin y la densidad de la carga (explicada
posteriormente), comparada a la impedancia de la roca concerniente.
(La impedancia de la roca es igual la velocidad de onda en la roca
por la densidad de la roca). El mejor efecto se obtiene si la
impedancia del explosivo es igual a la impedancia de la roca, o es
escasamente mayor.
Propagacin de la explosin: es la calidad de un explosivo para
continuar la reaccin hasta la carga total o la velocidad para
iniciar la siguiente carga a travs de una distancia al aire
libre.
Volumen especfico del gas: es la cantidad de gas creado por un
kilogramo de explosivo, en condiciones normales (0C y 760 mm Hg) y
es expresado en l/kg.
Calor de la explosin: es la cantidad de energa liberada cuando
el explosivo estalla, y es usualmente expresado en kcal/kg. El
trabajo hecho, o el efecto de la onda de presin del gas, depende de
la cantidad de calor y el volumen de gases creados por la explosin.
En la expansin provocada por el calor 30-40%, el calor es
convertido en trabajo mecnico.
Potencia/unidad de peso (s): es una relacin que indica la energa
de la explosin del explosivo, que es calculada del volumen de gas y
el calor de la explosin:
donde: z = explosivo bajo consideracin 35 % dyn = 35% de
dinamita s35 % dyn = 1
Densidad de la carga: significa la cantidad de explosivo en
cierto volumen y es normalmente expresado en kg/dm3. De acuerdo a
algunas fuentes la presin en la el barreno contra las paredes de la
perforacin es:
donde: p = presin de la explosin D = densidad de la carga D =
velocidad de la explosin
La presin desarrolla la primera grieta en el barreno y depende
de la presin contra las paredes del mismo.
Potencia/unidad de volumen (P s): muestra la eficiencia dada por
un explosivo en diferentes densidades de carga comparadas con la
eficiencia de una dinamita 35%, en las mismas densidades de
carga.
TIPOS DE EXPLOSIVOS: Un extenso rango de tipos de explosivos y
grados se fabrica para obtener todos los requerimientos de
voladuras. Incluyen:
Gelatinas
Gelignitas
Dinamitas
Explosivos en polvo
Todos los cuales contienen nitroglicerina
Agentes explosivos de nitrato de amonio
Slurries
Basados en TNT y nitrato de amonio
Plvora negra (grano y pelets)
Explosivos seguros especialmente hechos para usarse en minas de
carbn
Gelatinas.
Los principales componentes de las gelatinas son la
nitroglicerina, nitroalgodn, nitrato de sodio y materiales
celulosicos. Sus caractersticas son consistencia plstica, alta
densidad, buena resistencia al agua, libre de vapores nocivos y una
buena capacidad de almacenamiento.
Gelignitas.
Gelignitas es un tipo especial de explosivo gelatina que
contiene nitroglicerina, nitroalgodn y nitrato de amonio con un
suplemento de absorbente. Es este un poderoso explosivo de alta
densidad con alta resistencia al agua.
Dinamitas.
Las dinamitas son mezclas explosivas que contienen
nitroglicerina y nitroglicol coagulado. Contienen tambin nitrato de
amonio y pasta de madera. La cantidad de nitroglicerina y
nitroglicol en la mezcla determina la fuerza de las dinamitas (por
ejemplo 35% de dinamita contiene 35% de una mezcla de
nitroglicerina y nitroglicol). La resistencia al agua es
satisfactoria porque los cartuchos son protegidos por una capa de
cera fundida. Usualmente como el valor del porcentaje se incrementa
el explosivo se convierte en el ms resistente al agua.
Las dinamitas son usadas en las cargas de fondo y con frecuencia
en bajo porcentaje en las cargas de las columnas. Otro uso puede
ser encontrado en trabajos de smooth-blasting y precorte en la
forma de cargas prefabricadas.
Explosivos en polvo.
Los explosivos en polvo consisten esencialmente de nitrato de
amonio con nitroglicerina o trinitrotolueno (TNT). Son explosivos
de baja densidad con relativamente alta potencia, que bien
utilizados ampliamente para trabajos en roca suave o media bajo
condiciones moderadamente secas.
Agentes explosivos de nitrato de amonio.
Los explosivos de nitrato de amonio son en algunos casos
llamados explosivos seguros por sus propiedades de manejo. Los
productores de explosivos tienen diferentes nombres para varias
composiciones:
ANFO (Nitrato de amonio y combustible)
ANFO es una mezcla de nitrato de amonio y combustible
(aproximadamente 5.7%) el cual es mezclado normalmente en el sitio
de trabajo. Es llamado "ammonite" si est empaquetado en
cartuchos.
ANFO ha probado ser popular en cantera y minera. A pesar de su
continuo xito como explosivo comercial, tiene sus limitaciones:
No tiene resistencia al agua
Tiene baja densidad y baja potencia (potencia/volumen)
Tiene una baja velocidad de detonacin
No puede ser explotado por un solo detonador normal
Aunque esas desventajas son compensadas con sus caractersticas
de mejor acoplamiento a la roca ( por ejemplo, contacto entre el
explosivo y la pared del barreno perforado), completando el llenado
del barreno, un alto grado de seguridad, y un bajo costo por unidad
de peso, los ingenieros en minas sin embargo han encontrado los
costos ocultos que pueden estar involucrados en el uso del
ANFO.
Estos incluyen detalles tales como:
Problemas en el fondo del barreno
Bajo porcentaje de descarga
Altos costos de mantenimiento en equipo de trituracin.
Exceso de barrenacin
Por todas estas razones se utiliza normalmente en la parte baja
del barreno un explosivo altamente confiable y ANFO o un explosivo
de nitrato de amonio en la columna, con lo que se aprovecha el bajo
costo del explosivo de nitrato de amonio evitando los problemas
anteriormente citados.
Explosivos Slurry.
Estos explosivos contienen nitrato de amonio, TNT, agua y
sustancias para mantener el explosivo homogneo. Las propiedades de
alguna composicin individual depende del tipo de proporciones de
los ingredientes slidos.
Los Slurries son especficamente diseados para explosiones en
barrenos largos y condiciones humedad. Ellos son relativamente
insensibles a los iniciadores y por lo tanto necesitan ser
iniciados con un primer explosivo. Esos primero explosivos son TNT
comprimido o un iniciador especial. Los Slurries son resistentes al
agua y son tambin bombeados directo dentro del barreno o aplicados
en bolsas de plstico.
Las proporciones de nitrato de amonio, TNT y agua son
normalmente 65.5/20/14.5. La mezcla detona en barrenos de 100 mm o
ms. La mxima energa es obtenida con un slurry de 71/18/11, pero se
requiere un gran dimetro del barreno. Si los slurries son usados en
barrenos pequeos, el porcentaje de TNT debe ser incrementado a
30-35%. En esta composicin el slurry puede ser detonado en un
dimetro de barreno menor a 35 mm. Esto tambin se aplica si el
nitrato de amonio (AN) es sustituido por nitrato de sodio (SN), en
la proporcin de 30/30/30/10 de AN/SN/TNT/H2O. El costo es entonces
incrementado sobre 35% y su densidad es mayor y puede ser arriba de
1.70 kg/dm.
La figura 45 muestra varias formas de carga del banco con el
explosivo
Fig. 45. Varias alternativas para carga del bancoLa tabla 12
muestra el rompimiento relativo de volumen de roca/barreno.
AlternativaCarga del explosivo de fondoExplosivo
carga de columnaRompimiento relativo volumen/barreno
V0.6 V0.4 V
AANFOANFO0.81 - 1.08
BAmonitaAmonita1.02
CDinamitaANFO/Amonita1.28
DDinamitaANFO/Amonita1.40
EDinamitaANFO/Amonita1.50
FSlurryANFO/Amonita1.21
GSlurrySlurry1.21
HDinamitaANFO/Amonita1.00
IDinamitaDinamita1.00
Tabla 12. Rompimiento relativo entre volumen/barreno.SELECCIN DE
EXPLOSIVOS.En la superficie de minas y canteras todo el rango de
explosivos puede encontrar aplicacin por la variedad de
combinaciones de las condiciones presentes en ella.
La mejor colocacin de explosivos o combinaciones de explosivos
para un conjunto de condiciones dadas, puede solamente ser
determinada despus de que muchos factores han sido considerados,
cada uno apuntando a un requerimiento particular del explosivo
tales como potencia, densidad, grado de resistencia al agua,
sensibilidad de detonacin y propagacin, etc. Los principales
factores para tomarse en cuenta son:
Depsitos en estratos que van a ser volados: Estos podran variar
considerablemente desde laminas de pizarra suave hasta granitos
duros y masivos. En el mejor caso una baja densidad, baja potencia
del explosivo podra ser suficiente, mientras que para el ltimo una
alta potencia, alta densidad de explosin seran requeridas.
Grado de fragmentacin requerido: Esto depender del tipo de
equipo de carga utilizado y ms especficamente en el tamao del
cucharn utilizado en la mquina cargadora. Otras cosas sern iguales,
un ms alto grado de fragmentacin podra ser requerido para una draga
que para un cargador tipo pala. Para un esquema de colocacin de
barrenos dado el grado de fragmentacin obtenido depender de la
concentracin de la energa del explosivo provisto en los barrenos
perforados y sern gobernados por la potencia y la densidad del
explosivo empleado.
Condiciones del barreno: Estas podran variar de completamente
mojadas a completamente secas. Para condiciones secas puede ser
empleado cualquier tipo de explosivo que tenga la apropiada
potencia y densidad para el banco a ser explotado. Para condiciones
hmedas un tipo de explosivo resistente al agua, (por ejemplo
nitroglicerina, gelatina o slurry ) se requiere. Donde los barrenos
estn parcialmente llenos con agua, un explosivo con resistencia al
agua debe se usado a fin al menos hasta que la columna de carga est
arriba del nivel del agua.
Dimetro del barreno. Este puede variar considerablemente de 48
mm a 300 mm (12") o ms. El dimetro del barreno puede influir en el
tipo de explosivo que deba ser usado, y generalmente a dimetro ms
pequeo corresponde mayor sensitividad dada por la composicin del
explosivo (para iniciar y propagarse a travs de la columna).
5.4.5 Determinacin de la carga de explosivos.Las cargas
utilizadas en una explotacin normal a cielo abierto son: la carga
de fondo (Qb) y la carga de columna (QC) y se distribuyen en el
interior del barreno como se ilustra en la siguiente figura:
Fig. 46. Colocacin normal de las cargas en un barreno
perforadoCALCULO DE LA CARGA DE FONDO, QbEl propsito de la carga de
fondo es el de cortar la roca a la profundidad requerida. Cuando se
ha determinado el bordo y el espaciamiento aplicando las
frmulas:
La carga de fondo se puede determinar como sigue:
- Para alturas de banco menores que 1.8.V, se usa una carga de
fondo de altura H-V - Para alturas de banco mayores a 1.8.V, la
carga de fondo puede ser calculada como sigue:
En donde: Pb= Carga de fondo por metro de barreno, kg/m c =
constante calculada de la "constante de roca" ( c ) V = Bordo
terico
o cuando la densidad de la carga es aproximadamente = 1.27
kg/dm3:
En donde: Pb = carga de fondo (kg/m) d = dimetro del barreno en
el fondo (mm)
Algunos valores de Pb se dan en la siguiente tabla 13 para
varios dimetros de barreno.
Dimetro de barreno en el fondo d (mm)Carga de fondo Pb
(kg/m)Carga de la columna Pc (kg/m)Bordo terico V (m)
250.630.251.15
290.840.341.3
321.00.41.5
381.40.61.8
441.90.82.0
502.51.02.3
634.01.63.0
755.62.33.5
Tabla 13: Bordo terico, carga de fondo y carga de columna como
funcin del dimetro de barreno en el fondo.La longitud de la carga
de fondo cuando alcanza una profundidad de 0.3 V por debajo de la
lnea terica de piso y una distancia V por arriba de sta puede
calcularse de la frmula:
En donde: hb = longitud de la carga de fondo (m).
La carga de fondo Qb (kg.) se calcula aplicando la frmula:
Los valores del bordo terico dados en la tabla anterior,
consideran que se usa una dinamita 35% y una densidad de carga de
1.27 kg/dm3.
Cuando la densidad de carga es ms pequea o bien son utilizados
explosivos distintos a la dinamita 35%, el bordo terico puede ser
calculado aplicando la frmula (1), y usando este valor, la carga de
fondo puede obtenerse con las frmulas 6, 7 y 8.
Otra manera de calcular el bordo para diferentes explosivos y
densidades de carga es la utilizacin de la siguiente frmula:
En donde:
Vx = Bordo por ser determinado V1 = Bordo proporcionado por la
tabla Sx = Fuerza/peso del explosivo usado Px = Densidad de carga
del explosivo usado S1 = Fuerza/peso de la dinamita 35% (S = 1) P1
= Densidad de carga de la dinamita 35% (P = 1.27 kg/dm3)
La velocidad de explosin del explosivo usado deber ser cercano a
la de la dinamita 35% cuando se use la frmula anterior. Esto se
debe a que la fuerza de corte de la carga de fondo es determinada
en parte por la velocidad del explosivo.
Cuando la constante de la roca c sea distinta a 0.40 kg/m3 (el
valor en que estn basadas las tablas) los valores dados en la tabla
pueden ser ajustados ya sea disminuyendo el bordo o incrementando
la carga, lo que conduce a barrenaciones de mayor dimetro.
El cambio de bordo puede calcularse con exactitud razonable por
medio de la frmula:
Donde: Vx = Bordo cambiado c = constante de roca = 0.4 cx =
nueva constante de roca (usualmente ms grande que c) V = bordo dado
en la tabla
La carga requerida puede ser calculada mejor primero
determinando el nuevo dimetro y entonces buscando la carga adecuada
en la tabla.
El nuevo dimetro del barreno puede ser calculado aplicando la
frmula:
En donde: dx = nuevo dimetro del barreno (mm) c = constante de
roca (0.4) cx = nueva constante de roca (usualmente mayor que c) d
= dimetro del barreno dado en la tabla (mm)
CALCULO DE LA CARGA DE COLUMNA, QcCuando la altura del banco
excede 1.8 V, se usa una carga de columna sobre la carga de fondo.
Esta se extender hasta una altura de 0.5V, V medida a partir de la
parte superior del barreno. La longitud restante deber llenarse con
arena u otro material similar (taco).
La funcin de la carga de columna es la de facilitar la extraccin
de la roca y de permitir el control del tamao de la roca y del
lanzamiento de la misma.
La carga de la columna por metro de barreno es del 40 al 100% de
la carga de fondo por metro, dependiendo del lanzamiento permitido,
del tamao de los bloques requeridos y del vuelo de las piedras.
La carga de columna mnima que garantizar la extraccin de la roca
en corte a cielo abierto normales, por ejemplo en granito slido
es:
En donde: Pc = carga de columna (kg/m) Pb = carga de fondo
(kg/m)
Cuando la roca est fracturada o es dura (correosa), rocas gneas
obscuras (gabro y peridotita) o anfibolita, la carga de columna por
metro de barreno (kg/m) ser:
La altura de la carga puede calcularse restando la altura de la
carga de fondo (= 1.3 V) y la altura del taco (= V) de la longitud
total del barreno.
Por lo mismo:
En donde: hc = longitud de la carga de columna (m) H = longitud
del barreno (m) V = bordo (m)
El peso de la carga de columna requerida puede ser calculada de
la frmula:
En donde: Qc = Peso de la carga de la columna (kg) hc = longitud
de la carga de la columna (m) Pc = peso de la carga de columna por
metro (kg/m)
CARGA TOTAL EN EL BARRENO QTOTLa longitud de carga en el barreno
es:
y en peso es:
CARGA ESPECIFICA, qEl conocimiento de la carga especfica es de
especial importancia en la etapa de planeacin cuando se determina
el tamao de los bloques deseados y su colocacin despus de la
voladura. La carga especfica puede ser calculada usando la
frmula:
En donde: q = carga especfica (kg/m3) QTOT = Peso de la carga
total en la perforacin V1 = Bordo prctico (m) E = espaciamiento (m)
K = altura del banco (m)
Explosin controlada.Cuando la carga del explosivo estalla en el
barreno las grietas se forman en la roca ocurre con frencuencia en
la sobreexcavacin. Esto es indeseable, por ejemplo en la
construccin de las bases o paredes de tneles y algunos mtodos para
obtener el permetro exacto para la explosin han sido desarrollados
como respuesta a lo anterior. Hay diseos para excavar una roca con
especificaciones estrictas, para provocar una superficie bien
cortada y mantener la roca tan solida como sea posible.
Los principales mtodos utilizados son smooth blasting (voladura
amortiguada) y presplitting (precorte), y requieren cuidado para la
barrenacin y explosin. En ambos casos el espaciamiento del barreno
es ms pequeo que el usual, la densidad de la carga es menor, y se
deja un espacio alrededor de la carga en el barreno perforado. El
propsito del espacio es para acojinar el estallido y prevenir que
se formen grietas, o que los gases de la explosin se propaguen
hacia la roca que se pretende mantener solida. En lugar de esto, la
roca principal es abierta a lo largo de una lnea de barrenos, y as
el contorno se preforma.
Las pruebas han mostrado que las cargas son ms efectivas cuando
se tiene una forma cilndrica, en el barreno, y se obtienen mejores
resultados si las cargas son detonadas instantneamente.
El smooth blasting y el presplitting difieren principalmente en
el hecho de que el smooth blasting ocurre despus de que los
barrenos principales han explotado, mientras que el presplitting
ocurre antes de que la carga primaria sea detonada. El presplitting
tambin abarca un espaciamiento de barreno menor y una carga mayor
que el smooth blasting. En el smooth blasting, el resultado depende
del radio del espaciamiento (E) del bordo (V) el cual debe ser
E/V